Направи дарение на училище!

Настоящият стандартен двигател за спътници на базата на хидразин е силно токсичен, поради което учените разработват по-безопасни алтернативи. Изображение: NASA-JPL / Caltech

Разработването на нови двигатели за спътници, които да заменят токсичния хидразин, би направило изстрелването и оперирането със сателити по-безопасно, но учените предупреждават, че това ще изисква и прекъсване на сегашните системи. 

С нарастването на броя на спътниците, пропорционално ще се увеличи и количеството гориво, което използваме за изстрелването им. А излизането в орбита е само половината от управлението. След като един сателит е разположен на позиция над Земята, той се нуждае от метод на задвижване, за да сме сигурни, че той ще може да се движи при нужда, когато трябва да избягва космически отломки, да компенсира изоставането си с времето и дори да може сам да се изведе от орбита в края на мисията си.

Настоящият стандартен двигател за спътници е с гориво на базата на хидразин, което е силно токсично. Излагането на високи нива на хидразин може да причини множество здравословни проблеми, включително увреждане на черния дроб, бъбреците и централната нервна система. Ако хидразинът се разлее, докато сателитът все още е на земята, неговото токсично и взривоопасно естество може да се превърне в проблем за обществената сигурност.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Подготовката на космически сателит, захранван с хидразин, е опасна задача, която изисква специални предпазни мерки за всеки, включително облекло, подобно на космически костюм, което гарантира, че ако нещо се обърка, хората, които боравят с горивото, няма да вдишат самия газ. “Те приличат малко на човечето от Мишелин“, описва ги д-р Норберт Фришауф, партньор в космическата консултантска компания SpaceTec Partners в Белгия.

Така че не е изненада, че инженерите търсят нови, по-чисти начини за изстрелване и задвижване на спътници, които вместо това използват нетоксични горива. “Хидразинът е доста гаден за работа от гледна точка на здравето и безопасността, така че наблюдаваме много по-голям интерес към тези видове горива“, казва Ерикас Кнейзис, главен дизайнер в NanoAvionics, производител на космически апарати със седалища в Европа и САЩ.

През 2011 г. Европейската химическа агенция добави хидразина към списъка си с “вещества, които изискват силна загриженост“, което означава, че употребата му скоро може да бъде ограничена.

Наносателити

NanoAvionics е специализирана в технологиите за наносателити, включително CubeSats, които са миниатюрни спътници, направени от по 10-сантиметрови части с форма на кубчета, с тегло по около 1 кг всяко. Тъй като по-малките спътници стават все по-често срещани – NanoAvionics твърдят, че е имало 300% увеличение на малките сателитни изстрелвания между 2016 и 2020 г. Така че търсенето на чисти горива, подходящи за тях, вероятно ще се увеличи.
“Реално нямаме такива продукти за пазара на CubeSat и особено що се отнася до химическо задвижване, използващо чисто гориво“, каза Кнейзис. “Така че набелязахме тази ниша и започнахме да работим върху нея.“

Чрез проект, озаглавен EPSS, NanoAvionics разработи по-безвредно гориво на базата на амониев динитрамид или ADN, съединение, съставено от азот, кислород и водород, предимно за малки спътници. Системата е интегрирана в пилотен спътник и е преминала през тестове в орбита.

Новата система е известна като монопропелант (едногоривна система), тя работи, като предава горивото върху катализатор, който го кара да се разлага, произвеждайки топлина и газове, които от своя страна задвижват космическия апарат. Други използват бипропелант (двугоривна система), в който две течности се държат отделно и обикновено се запалват при смесване.

Използването на бипропелант обаче повишава риска по време на производството, тъй като двете вещества могат случайно да влязат в контакт и да се запалят, преди това да е необходимо. “В нашия монопропелант трябва да изминете километри, за да сте сигурни, че гори, така че той е сравнително доброкачествен и стабилен в сравнение с повечето бипропелантни системи“, уверява Кнейзис.

Но не само по-малките спътници могат да се възползват от нетоксичното задвижващо гориво.

HyproGEO, проект, координиран от аерокосмическата компания Airbus, също разработи нетоксична задвижваща система, като този път се фокусира върху спътници в геостационарна орбита около Земята. В орбита на 36 000 км, тези спътници изглежда остават във фиксирана точка над земната повърхност и обикновено се използват за комуникации и излъчване.

“За да стигнете до там, е необходима доста енергия“, казва д-р Фришауф от SpaceTec Partners, член на консорциума HyproGEO.

В момента тази енергия се осигурява най-вече от горива на базата на хидразин. Но HyproGEO е разработила хибридна задвижваща система, която вместо това използва водороден пероксид. Горивото, което е 98% водороден прекис (за сравнение ок. 6% такъв разтвор, се използва за изрусяване на косата) е силно киселинно, но все пак по-малко рисковано при работа, отколкото е хидразина. Освен това се разгражда до кислород и вода, като избягва отделянето на вредни за човека пари.

Геостационарните спътници са проектирани да издържат десетилетие или по-дълго, така че горивото, което се използва и за маневрирането им, след като са в орбита, трябва да издържи поне толкова. “Трябва да сме сигурни, че системата ще работи още след 15 години, така че тя трябва да е проста система, защото ако е сложна, винаги има риск да се повреди нещо“, предупреждава д-р Фришауф.

Хибрид

Решението, което HyproGEO предложи, беше да се използва хибридно задвижване, което включва преминаване на водородния пероксид през катализатор за получаване на много горещ кислород, както и водна пара. Този кислород може сам да осигури задвижването или може да се използва за възпламеняване на друго вещество за допълнителен тласък. “Когато контролирате потока на кислорода, можете да контролирате тягата на двигателя“, казва д-р Фришауф.

Екипът успешно разработил тестовия двигател за съхраняване на новото гориво, доказа, че той се разлага според очакванията и след това проектира ракетен двигател, използващ горивото. Тъй като тази работа беше завършена през 2018 г., норвежката отбранителна компания Nammo използва хибридния двигател HyproGEO, за да изстреля ракета на 107 км от земната повърхност само за три минути, времеви график, типичен за суборбиталните ракети, използващи традиционните задвижващи системи.

Използването на тези нови горива не е от полза само за хората, работещи с настоящите токсични горива, а прави цялата инфраструктура по-ефективна и по-евтина. Кнейзис твърди, че системата EPSS, проектирана от NanoAvionics, ще струва приблизително една трета от сегашните продукти, които използват стандартни горива.

С всички тези предимства, какво пречи на тези нови горива? От една страна, хибридните задвижващи системи обикновено не са били способни на продължително горене, необходимо за пускане на спътници в геостационарна орбита, проблем, който HyproGEO успя да преодолее.

“А индустрията вече има стартирани процедури за справяне с традиционните горива като хидразин – преходът към нещо ново изисква нарушаване на тези системи”, казва д-р Фришауф. “Винаги е необходимо да се приложи малко тласък за да се гарантира, че новата технология може да надделее.“

Източник: Horizon magazine

Превод: Радослав Тодоров

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!